吳昌宇，程良倫

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006)

船舶的船體外板大都是由復(fù)雜的空間三維曲面構(gòu)成，目前國(guó)內(nèi)外造船廠對(duì)于船體外板的加工主要采用的是傳統(tǒng)的水火彎板加工工藝，俗稱(chēng)水火彎板。水火彎板工藝?yán)娩摪迨軣幔鋮s、鋼材局部發(fā)生熱塑性收縮變形特性，將一塊平板或預(yù)彎曲板加工成曲面板的工藝過(guò)程。由于船體曲面復(fù)雜，外板的大小、形狀多變，憑經(jīng)驗(yàn)確定曲板的水火彎板加工方案，并完成最終的加工成型要花費(fèi)大量時(shí)間，質(zhì)量波動(dòng)也比較大，船體外板的復(fù)雜曲面加工成型一直都是船舶建造系統(tǒng)的瓶頸。

國(guó)內(nèi)外有大量學(xué)者對(duì)船體外板加工工藝進(jìn)行研究，并且取得了一定的成果。日本石川島播磨重工業(yè)株式會(huì)社研制出一臺(tái)曲板成形的自動(dòng)化加工裝置IHIα［1］。韓國(guó)漢城大學(xué)［2］研制了自動(dòng)水火彎板加工系統(tǒng)，它可以進(jìn)行船體外板建模、外板展開(kāi)、加熱信息計(jì)算、鋼板形狀的自動(dòng)測(cè)量，該系統(tǒng)已經(jīng)在合作船廠進(jìn)行了試用。美國(guó)M I T 研制用激光作為熱源的全自動(dòng)水火彎板設(shè)備，在薄板水火變形控制研究方面已經(jīng)有很大的建樹(shù)［3］。中國(guó)第一臺(tái)水火彎板機(jī)是由大連理工大學(xué)、大連新船重工有限責(zé)任公司、清華大學(xué)和北京航空航天大學(xué)合作研制［4］。廣船國(guó)際和上海交大于2005年底也開(kāi)發(fā)出一臺(tái)數(shù)控水火彎板機(jī)［5］。它的加工參數(shù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)能為帆形鋼板加工火路進(jìn)行預(yù)報(bào)。2006年，廣東工業(yè)大學(xué)采用多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和三維立體成型的加工方法也研制出一種水火彎板機(jī)［6－7］。2007年，上海船舶工藝研究所(船舶611所)研制出SGQ-1241 數(shù)控感應(yīng)加熱曲板成形機(jī)［8］。該設(shè)備采用高頻感應(yīng)加熱與計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，具有自動(dòng)加熱、自動(dòng)均載支撐、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)畫(huà)線(xiàn)及手動(dòng)操作等功能。這些裝備具有一定的實(shí)用價(jià)值，但是大部分都只是針對(duì)曲率較小的一種或者幾種板型進(jìn)行加工，其適用性不太理想。文中結(jié)合目前新設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)研究一種適應(yīng)所有板型并且與設(shè)備匹配的聯(lián)動(dòng)控制方法，該方法為提高設(shè)備的加工精度、效率和質(zhì)量提供了可靠的保障。

1 水火彎板機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

水火彎板工藝要求火槍頭工作過(guò)程保持垂直于鋼板，同時(shí)保證火槍頭距鋼板高度為40 ～45 mm。結(jié)合設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)(機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示)，提供一個(gè)可靠的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的控制。機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)火槍頭端點(diǎn)位置有影響的運(yùn)動(dòng)軸有X 軸、Y 軸、Z 軸、RZ 軸、RX 軸，每軸的運(yùn)動(dòng)都影響彎板機(jī)器人火槍頭末端的位置和姿態(tài)。因此研究此機(jī)械的五軸運(yùn)動(dòng)關(guān)系是該研究的重點(diǎn)，也是機(jī)械得以穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的核心。

圖1 水火彎板機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 水火彎板機(jī)器人控制策略

水火彎板過(guò)程中加熱的焰道軌跡由板型的種類(lèi)、燃?xì)獾牧髁俊⒗鋮s的速度等多方面因素共同決定，焰道加工過(guò)程是一條連續(xù)不規(guī)則的曲線(xiàn)，無(wú)法采用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述焰道加工曲線(xiàn)，因此唯有將焰道線(xiàn)離散化，根據(jù)焰道加工規(guī)則將曲線(xiàn)用有限個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)按焰道行走路徑方向進(jìn)行描述，同時(shí)將焰道點(diǎn)所在小范圍區(qū)域近似認(rèn)為是一個(gè)平面，并根據(jù)板型曲面數(shù)據(jù)建立焰道點(diǎn)所在的平面方程。示意圖如圖2所示。E、M 為焰道線(xiàn)上的焰道點(diǎn)，平面L 是焰道點(diǎn)E 附近近似的平面。

圖2 焰道線(xiàn)處理示意圖

對(duì)彎板機(jī)器人五軸進(jìn)行分析，X 軸、Y 軸、Z 軸實(shí)現(xiàn)火槍頭位置的移動(dòng)，RZ 軸、RX 軸的旋轉(zhuǎn)組合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)火槍頭垂直于焰道點(diǎn)，RZ、RX 軸的旋轉(zhuǎn)對(duì)火槍頭的末端位置會(huì)帶來(lái)一定的影響。為提升系統(tǒng)加工精度，保障加工質(zhì)量，提高加工效率，需研究建立X、Y、Z、RZ、RX 的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，采用矩陣法來(lái)描述彎板機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，采用坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)變化建立目標(biāo)位置與變換矩陣之間的關(guān)系。采用微積分理論和立體幾何知識(shí)求解旋轉(zhuǎn)變換量與平移位置之間的關(guān)系。最終實(shí)現(xiàn)彎板機(jī)器人的精準(zhǔn)控制。

各軸技術(shù)參數(shù):

(1)X 軸縱向行走最大距離12 m，速度20 m/min;

(2)Y 軸橫向行走最大距離3 m，速度15 m/min;

(3)智能槍頭Z 軸升降最大距離1 200 mm，速度5 m/min;

(4)智能槍頭RZ 軸最大旋轉(zhuǎn)角度±90°，速度10 r/min;

(5)智能槍頭RX 軸最大旋轉(zhuǎn)角度±60°，速度10 r/min。

表1 機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸 mm

3 聯(lián)動(dòng)控制算法研究

根據(jù)圖1所示的水火彎板機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)建立其坐標(biāo)變換的坐標(biāo)系，設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)X、Y、Z 三維坐標(biāo)系，系統(tǒng)變換坐標(biāo)系如圖3所示。坐標(biāo)系中x、y、z 是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人X 軸、Y 軸、Z 軸移動(dòng)的位移，RZ 軸、RX 軸分別繞Z 軸和X 軸旋轉(zhuǎn)，L1、L2、L3、L4是機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)之間固有的長(zhǎng)度。

圖3 水火彎板機(jī)器人的坐標(biāo)變換

RZ 軸、RX 軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(坐標(biāo)系{4}、坐標(biāo)系{5})通過(guò)歐拉變換

得:

按照水火彎板工藝要求火槍頭距鋼板距離設(shè)定為40 mm，槍頭長(zhǎng)度為L(zhǎng)，因此L4=L+40 位置矢量為P

機(jī)器人平移矢量為P1

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的焰道加工點(diǎn)位置

火槍頭旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)到鋼板的示意圖如圖4所示。FE=L4，火槍與焰道點(diǎn)E 所在平面ABCD 垂直，焰道點(diǎn)E 坐標(biāo)為(m，n，l)，焰道所在平面方程:

圖4 火槍頭旋轉(zhuǎn)模型

平面法線(xiàn)方程:

令EF 直線(xiàn)方程

求解得x、y、z，即得點(diǎn)F 的坐標(biāo)。設(shè)點(diǎn)F 坐標(biāo)用F(x4，y4，z4)表示

φ 和θ 的符號(hào)的確定由以法向量在原點(diǎn)坐標(biāo)所在的象限來(lái)決定。

彎板機(jī)器人坐標(biāo)變換P

機(jī)器人通過(guò)變換后目標(biāo)位置為E，即T =E，即可求解出X 軸、Y 軸、Z 軸、RZ 軸、RX 軸的運(yùn)動(dòng)量。

4 算法仿真驗(yàn)證

仿真數(shù)據(jù)來(lái)源于鋼板的檢測(cè)數(shù)據(jù)，仿真選取船體外板中常見(jiàn)的帆形板和鞍形板中兩條典型的焰道線(xiàn)作為驗(yàn)證算法的對(duì)象，根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)帆形板和鞍形板的焰道線(xiàn)各選取4 個(gè)焰道點(diǎn)，按照聯(lián)動(dòng)算法進(jìn)行計(jì)算，得出各個(gè)軸的位移量。仿真驗(yàn)證結(jié)果如表2、3所示。

表2 帆形板理論計(jì)算數(shù)據(jù)

表3 鞍形板理論計(jì)算數(shù)據(jù)

仿真結(jié)果在理論上能較好地表現(xiàn)出各軸的位移量，能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。下一步工作是將算法移植到運(yùn)動(dòng)控制器中，將計(jì)算數(shù)據(jù)應(yīng)用于水火彎板機(jī)器人的控制量。

5 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)船體外板加工機(jī)械的新結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)所有船體外板加工條件，提出水火彎板機(jī)器人的五軸聯(lián)動(dòng)控制算法，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，算法能很好地完成各個(gè)軸的計(jì)算，解決了X 軸、Y 軸、Z 軸、RZ 軸、RX 軸五軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化量。設(shè)計(jì)的聯(lián)動(dòng)算法為新設(shè)計(jì)的彎板機(jī)器人的加工效率和控制精度提供了保障，為船體外板加工工藝提供了一種穩(wěn)定、可靠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也為船體外板加工的預(yù)報(bào)系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)的研究提供了可靠、便利的檢驗(yàn)條件，提高了船舶制造的自動(dòng)化水平。

【1】ISHIYAMA Morinobu，TANGO Yoshihiko.Advanced Line-Heating Process for Hull-Steel Assembly［J］.Journal of Ship Production，2000，16(2):121－132.

【2】SHIN Jong Gye，RYU C H，NAM JH.A Comprehensive Line-heating Algorithm for Automatic Formation of Curved Shell Plates［J］.Journal of Ship Production，2004，20(2):69－78.

【3】MASUBUCHI Koichi，JONES Jerry E.Laser Forming for Flexible Fabrication［J］.Journal of Ship Production，2000，16(2):97－109.

【4】大連理工大學(xué)，大連新船重工有限責(zé)任公司.曲面鋼板水火成形裝置:中國(guó)，01250852.7［P］.2002－08－14.

【5】廣州廣船國(guó)際股份有限公司.一種水火彎板機(jī):中國(guó)，200620056651.3［P］.2007－02－28.

【6】廣東工業(yè)大學(xué).一種水火彎板機(jī)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng):中國(guó)，200810198914.8［P］.2009－03－11.

【7】廣東工業(yè)大學(xué).應(yīng)用于水火彎板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)三維立體成形的加工方法:中國(guó)，200810198916.7［P］.2009－02－18.

【8】上海船舶工藝研究所.一種數(shù)控板材熱應(yīng)力曲面成形機(jī):中國(guó)，200710043037.2［P］.2008－12－31.